Reconstruction of the solar spectral UV irradiance for the characterization of planetary atmospheres
Reconstruction du spectre UV solaire en vue de la caractérisation des environnements planétaires
Résumé
The knowledge of the solar spectral irradiance in the UV and its variation in time is a key problem in aeronomy but also in climatology and in solar physics. While the Extreme UV (10-121 nm) range is important for thermosphere/ionosphere specification, the Far UV and Middle UV ranges are essential for climate modelling. However, the continuous monitoring of the UV irradiance is a difficult task. Space instruments are indeed suffering from ageing but also signal contamination of many kinds. Because of the lack of long-term measurements of the whole UV range, most thermosphere/ionosphere and climate models rely today on proxies for the solar irradiance, which may however not reflect very well the variability. As an alternative, we proposed in this work to use a few radiometers with properly chosen passbands in order to reconstruct the solar UV irradiance. Using a multivariate statistical approach, we first characterize the high redundancy as well as the different features of the solar UV irradiance. With four passbands from already existing instrument, we test our concept: the solar UV flux is reconstructed with a relative error of about 20%. This work proposes then to define a new kind of instrument, which may use wide bandgap materials as detectors selecting moreover the spectral range. Filters are indeed very sensitive to the degradation. This thesis finally proposes to model the impact of the solar UV flux on the atmosphere of Ganymede. We predict some atmospheric emissions in the framework of future space mission to Jupiter.
La connaissance du flux UltraViolet (UV) solaire et de sa variabilité dans le temps est un problème clé aussi bien dans le domaine de l'aéronomie qu'en physique solaire. Alors que l'extrême UV, entre 10 et 121 nm, est important pour la caractérisation de l'ionosphère, l'UV entre 121 et 300 nm l'est tout autant pour les modélisations climatiques. La mesure continue de l'irradiance dans l'UV est cependant une tâche ardue. En effet, les instruments spatiaux étant dans un environnement hostile se dégradent rapidement. De nombreux modèles basés sur des indices solaires sont alors utilisées lorsque peu de données sont disponibles. Pourtant, l'utilisation de ces indices ne permet pas d'atteindre aujourd'hui une précision suffisante pour les différentes applications en météorologie de l'espace. Comme alternative, ce travail de thèse met en avant l'utilisation de bandes passantes pour reconstruire l'irradiance solaire dans l'UV. En utilisant des méthodes d'analyse statistique multivariée, ce travail met tout d'abord en évidence la forte cohérence de la variabilité spectrale de l'irradiance dans l'UV, ainsi que ses principales caractéristiques. Une première étape consiste à utiliser des bandes passantes existantes afin de tester la faisabilité de notre approche: le flux UV peut ainsi être reconstruit avec une erreur relative d'environ 20%, une bien meilleure performance qu'avec l'utilisation d'indices solaires. Ce travail propose ensuite plusieurs choix pour définir un futur instrument d'un genre nouveau. Afin de limiter les problèmes de dégradation liés à l'utilisation de filtres, les nouveaux détecteurs à matériaux à large bande interdite permettent de sélectionner la bande spectrale, notamment pour l'UV à partir de 120 nm. Enfin, une modélisation de l'impact du flux UV solaire sur l'atmosphère de Ganymède est exposée. Les émissions atmosphériques pour quelques espèces sont alors calculées, afin de proposer quelques recommandations pour les futures missions pour Jupiter.
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